碳、硅及无机非金属材料

三大同素异形体(结构决定性质)

⚠ 金刚石与石墨互为同素异形体,但性质天差地别——这正是"结构决定性质"的经典例证。石墨能导电是因为层内有可自由移动的电子;金刚石所有价电子都成键,故不导电。

碳的还原性(高温下夺氧)

碳过量或高温缺氧时生成 CO;氧气充足则生成 CO₂。工业炼铁里 C 先与 O₂/CO₂ 转成 CO,再由 CO 去还原铁矿石。

CO(不成盐氧化物)

① 可燃:2CO + O₂ —点燃→ 2CO₂(蓝色火焰,是煤气的主要成分之一)。

② 还原性——工业炼铁的主角:3CO + Fe₂O₃ —高温→ 2Fe + 3CO₂。

③ 有毒:CO 与血红蛋白结合能力远强于 O₂,使人缺氧中毒(煤气中毒)。CO 是不成盐氧化物,不与酸碱反应。

CO₂(典型酸性氧化物)

① 与水:CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃(生成弱酸碳酸,能使紫色石蕊变红但不能漂白)。

② 与碱,量不同产物不同(核心考点):

③ 与 Na₂O₂(供氧):2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂↑(潜水/航天供氧,CO₂ 中 C、O 化合价不变,是 Na₂O₂ 自身歧化)。

④ 检验 CO₂:通入澄清石灰水变浑浊 CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O。但 SO₂ 也能使石灰水变浑!需先用品红溶液——SO₂ 使品红褪色、CO₂ 不能,以此区分。

⑤ CO₂ 是主要的温室气体,过量排放加剧温室效应。

⚠ "少量/过量"决定生成正盐还是酸式盐,是填空高频陷阱。判断口诀:谁过量,产物就偏向谁——碱多生正盐(CO₃²⁻),CO₂ 多生酸式盐(HCO₃⁻)。

性质对比(以 Na₂CO₃ 与 NaHCO₃ 为例)

相互转化

鉴别 Na₂CO₃ 与 NaHCO₃ 常用:①加热看是否放出气体(NaHCO₃ 分解);②滴盐酸看反应快慢(NaHCO₃ 更剧烈);③加 BaCl₂/CaCl₂,只有 Na₂CO₃ 立即生成白色沉淀。

⚠ 除去 NaHCO₃ 中的 Na₂CO₃(固体)用加热法不行——那是除 NaHCO₃!除去 Na₂CO₃ 溶液中少量 NaHCO₃ 加适量 NaOH;除 NaHCO₃ 溶液中的 Na₂CO₃ 应通足量 CO₂。方向别搞反。

亲氧性 → 只以化合态存在: 硅与氧亲和力极强,自然界中没有游离态的硅,全部以 SiO₂ 和硅酸盐形式存在(地壳含量第二,仅次于氧)。

晶体硅(半导体材料)

晶体硅是灰黑色、有金属光泽的固体,是良好的半导体 → 制太阳能电池、计算机芯片、集成电路。这就是"硅谷"的硅。

硅的主要反应

⚠ 硅常温下化学性质稳定,只与 F₂、HF、强碱反应;但高温下活泼(与 O₂、Cl₂ 等)。别把"稳定"误当"不反应"。工业制粗硅:SiO₂ + 2C —高温→ Si + 2CO↑。

结构与物性

SiO₂ 是原子晶体:每个 Si 与 4 个 O、每个 O 与 2 个 Si 以共价键连成空间网状(注意:没有 SiO₂ 分子,化学式只表示原子个数比)。因此熔点高、硬度大、不导电。天然 SiO₂ 有石英、水晶、玛瑙;光导纤维的主要成分就是 SiO₂。

化学性质:酸性氧化物,但很"倔"

SiO₂ 是酸性氧化物,却极其稳定:不与水反应(故不能由 SiO₂ 直接制硅酸)、不与一般酸反应。它只在三种情况下"松口":

第 ③ 条看似"弱酸(硅酸)酐 把 强酸(碳酸)酐 赶跑",似乎违反强酸制弱酸——原因是高温下 CO₂ 是气体逸出,反应向生成气体方向进行(与酸性强弱无关)。

⚠ SiO₂ 是酸性氧化物却能与酸(HF)反应,这是特例、不违反定义(酸性氧化物本就不要求"不与酸反应")。盛放 NaOH 溶液的试剂瓶必须用橡皮塞而非玻璃塞——因为 SiO₂ 与 NaOH 反应生成的 Na₂SiO₃ 有黏性会把塞子和瓶口粘死。

硅酸 H₂SiO₃

① 难溶弱酸:H₂SiO₃ 是白色胶状难溶物,酸性比碳酸还弱(Ka 更小)。

② 制备:因 SiO₂ 不溶于水,硅酸不能由 SiO₂ + 水制得,须用可溶硅酸盐 + 酸——利用"强酸制弱酸":

硅酸盐

Na₂SiO₃(硅酸钠):其水溶液俗称水玻璃(泡花碱),是一种矿物胶,可作黏合剂、木材防火剂(浸过水玻璃的木材/织物不易燃)。

传统硅酸盐工业三大产品

⚠ 玻璃是混合物,没有固定熔点(受热逐渐软化),这是它能拉丝、吹制的原因;而石英(SiO₂)是纯净物、有确定熔点。玻璃制造用到 SiO₂ 与 Na₂CO₃ 的高温反应,放出的正是 CO₂。

碳、硅同为第ⅣA族,最外层都是 4 个电子、常见 +4 价,但由于原子半径不同(Si 更大),许多性质呈规律性差异。这张对比表是选择题的"标准答案库"。

1. 以为"酸性氧化物一定不与酸反应"。SiO₂ 是酸性氧化物,却能与 HF 反应(SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O)。这是特例,不违反定义。

2. 把 Si 与 SiO₂ 的用途弄反。晶体硅是半导体(芯片、太阳能电池);SiO₂是光导纤维、石英、玻璃原料。别把"硅做光纤"当对。

3. 以为澄清石灰水能区分 CO₂ 和 SO₂。两者都能使石灰水变浑!区分要用品红(SO₂ 使其褪色)。

4. 想用 SiO₂ + 水制硅酸。SiO₂ 不溶于水、不与水反应,硅酸只能由可溶硅酸盐 + 酸制得。

5. 盛碱液的瓶用玻璃塞。SiO₂ 与 NaOH 生成有黏性的 Na₂SiO₃,会把玻璃塞粘死,必须用橡皮塞。

6. CO₂ 与碱反应不看量。少量 CO₂ + 足量碱 → 正盐(CO₃²⁻);CO₂ 过量 → 酸式盐(HCO₃⁻),产物随量而变。

7. 认为"高温下 SiO₂ 把 CO₂ 赶出"违反强酸制弱酸。那是靠 CO₂ 气体逸出推动,与酸性强弱无关;硅酸酸性其实比碳酸弱。

8. 把玻璃当纯净物、有固定熔点。玻璃是混合物,受热逐渐软化、无固定熔点;石英才是纯净物。

9. 误认为自然界有游离态硅。硅亲氧,只以化合态(SiO₂、硅酸盐)存在;而碳有游离态(金刚石、石墨)。

▸ 一条主线贯穿全章:"结构 → 性质 → 用途"。金刚石硬(原子晶体)、石墨滑能导电(层状)、SiO₂ 稳定(原子晶体网状)——凡涉及用途,先回到晶体类型与成键方式去解释,几乎不会错。

▸ 把"强酸制弱酸"用对: Na₂SiO₃ + CO₂ + H₂O → 硅酸,证明碳酸 > 硅酸(溶液中,弱酸相对强弱);而高温 SiO₂ + Na₂CO₃ → CO₂↑,靠气体逸出,不涉及酸性比较。两者本质不同,别混为一谈。

▸ 归中/歧化的判断: C + CO₂ → 2CO 是归中(+4 与 0 → +2);2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂ 里,变价的是 Na₂O₂ 中的 O(−1→−2 与 0),CO₂ 只是酸性氧化物参与,C、O 价态不变。看清"谁在变价"。

▸ 量的意识: CO₂ 通入 NaOH、Ca(OH)₂、NaAlO₂、苯酚钠等,产物都随"少量/过量"变化。建立"过量者主导产物"的通用判据,一类题全通。

▸ 碳硅同族但递变: 非金属性 C > Si(同周期从左到右增强、同主族从上到下减弱),对应最高价氧化物对应水化物酸性 H₂CO₃ > H₂SiO₃。用周期律串联,能把孤立结论织成网。